Электролиз

Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, которая сопровождается разложением воды и веществ, входящих в состав смеси, идет при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита. 

---

Электролит — это вещество, которое проводит электрический ток либо за счет диссоциации на ионы в растворах или расплавах, либо за счет движения ионов в кристаллических решетках твердых электролитов. 

---

Электрод — это проводник, через который электрический ток проходит в газ или жидкость. 

Есть два вида электродов:

Также электроды классифицируются на:

Установка для электролиза:

Электролиз классифицируется на:

---

Электролиз расплавов

Это электролиз твердых (кристаллических) веществ. Проще всего рассмотреть данный процесс на примере кристаллической пищевой соли — NaCl.

NaCl при сильном нагреве начинает плавится, при этом образуются подвижные ионы хлора и натрия, которые освободились из кристаллической решетки. Затем через данный расплав проводится электрический ток и получается следующая запись:

K^—: 2Na⁺+ 2e^— = 2Na⁰

A⁺: 2Cl^— — 2e^— = Cl₂

Суммарное уравнение электролиза:

2Na⁺+ 2Cl^— = 2Na⁰ + Cl₂

Мы опускаем в расплав NaCl инертные электроды, которые присоединены к источнику тока, при этом ионы начинают направленно двигаться: катионы движутся к катоду, анионы к аноду и отдают электроны.

Электролиз растворов

Это окислительно-восстановительный процесс, в котором участвуют ионы металла, кислотного остатка, а также ионы воды. 

Перед тем, как мы рассмотрим электролиз неорганических соединений и органических соединений, обратимся к тому, как ведет себя вода при воздействии постоянного электрического тока.

K^—: 2H₂O + 2e^— = H₂ + 2OH^—

A⁺: 2H₂O — 4e^— = O₂ + 4H⁺

Суммарное уравнение электролиза:

2H₂O = 2H₂ + O₂

Возьмем к примеру NaF, его электролиз будет идентичным электролизу воды, с чем же это связано?

Это связано с активностью металлов, как катионов, и с способностью окисляться кислотных остатков, как анионов.

---

Рассмотрим табличку, которая вам поможет понять, какие процессы будут происходить на катоде и на аноде:

Таблица 1. Катодные процессы при электролизе растворов солей

Электрохимический ряд напряжения металлов
Очень активные металлы	Средне активные металлы	Водород	Неактивные металлы
Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al	Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb	H2	Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au
Men+ не восстанавливаются	Men+ + ne— = Me0 2H2O + 2e— = H2 + 2OH—	2H+ + 2e— = H2	Men+ + ne— = Me0
2H2O + 2e— = H2 + 2OH—

Таблица 2. Анодные процессы при электролизе растворов солей

Анионы
Бескислородные анионы		Кислородсодержащие анионы
Фтор	Все остальные	В щелочной среде	В кислой и нейтральной средах
	Cl—, Br—, I—, S и тд	OH—	SO32-, PO43-, NO3—, SO42-
2H2O — 4e— = O2 + 4H+	Am- — me— = A0	4OH— — 4e— = O2 + 2H2O	2H2O — 4e— = O2 + 4H+

У фторидов и кислородсодержащих анионов в кислой и нейтральной среде процесс анодного окисления происходит одинаково. А у бескислородных (у всех кроме фторидов) на аноде будет выделяться простое вещество соответствующее аниону.

---

Теперь поподробнее рассмотрим электролиз растворов неорганических соединений.

Например, NaCl раствор:

K^—: 2H₂O + 2e^— = H₂ + 2OH^—

A⁺: 2Cl^— — 2e^— = Cl₂

Суммарное уравнение:

2NaCl + 2H₂O = H₂ + Cl₂ + 2NaOH

Получается, что на катоде будет выделяться водород, на аноде — хлор. При этом среда раствора становится щелочной, поскольку в растворе образуется щелочь. Так будет всегда при электролизе солей активных металлов и бескислородных кислотных остатков (кроме фторида).

Например, CuSO4 раствор:

K^—: Cu²⁺ + 2e^— = Cu⁰

A⁺: 2H₂O — 4e^— = O₂ + 4H⁺

Суммарное уравнение:

CuSO₄ + 2H₂O = Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Получается, что на катоде будет выделяться медь, на аноде — кислород. При этом среда раствора становится кислой, поскольку в растворе образуется сильная кислота. Так будет всегда при электролизе солей неактивных металлов и кислородосодержащих кислотных остатков.

---

Для органических соединений картина процесса немного отличается. Для того, чтобы разобраться в этом нужно обратить внимание на следующую схему (электролиз на примере ацетата натрия):

Суммарное уравнение:

2CH₃COONa + 2H₂O = H₂ + CH₃-CH₃ + 2CO₂ + 2NaOH

Таким образом, на катоде — водород, на аноде — соответствующий углеводород, состоящий из удвоенного радикала кислотного остатка, углекислого газа, а в растворе — гидроксид натрия. При этом среда раствора становится щелочной.

Также приведем пример с формиатом меди:

K^—: Cu²⁺ + 2e^— = Cu⁰

A⁺: 2HCOO^— — 2e^— = 2CO₂ + H₂

Суммарное уравнение:

Cu(HCOO)₂ = Cu + 2CO₂ + H₂

Получается, что на катоде будет выделяться медь, на аноде — углекислый газ и водород. При этом среда раствора становится нейтральной.

Для решения задач

Для некоторых задач требуется узнать силу тока в электродном процессе или, например, требуется определить массу вещества, при этом, зная только то, сколько прошло электрического тока через раствор. Для этого используются законы Фарадея. 

Формулы, которые понадобятся для расчетов:

1. 

2. 

Применение электролиза в промышленности

• В металлургической промышленности с помощью данного процесса получают чистые активные металлы
• В химической промышленности с помощью данной реакции получают такие простые вещества, как:
  • кислород ( из растворов щелочей, кислот, сульфатов и нитратов щелочных металлов)
  • фтор (из расплава фторида калия)
  • водород ( из водных растворов солей активных металлов)
  • хлор и другие галогены, кроме фтора (из растворов или расплавов галогеноводородов)
  • алюминий (из оксида алюминия в расплаве с криолитом)
• такие сложные вещества, как: 
• щелочи (из раствора поваренной соли (хлорид натрия))
• бертолетову соль (из раствора хлорида калия в присутствии с хроматом калия)
• и так далее.
• Электролиз используют для нанесения металлических покрытий, это нужно для того, чтобы предотвратить коррозию.

---

Вы можете скачать инфографику по определению продуктов электролиза здесь.

А проверить свои знания по теме можно по этому тесту: